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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung und Demodulation amplitudenmodulierter Signale
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
ihrem Vorrichtungsaspekt betrifft die Erfindung einen amplitudenmodulierte
Signale verarbeitenden Schaltkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs
7.
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Ein
solches Verfahren und ein solcher Schaltkreis ist jeweils aus der
DE 196 42 149 A1 bekannt.
Insbesondere Infrarot (IR) Receiver Module bestehen üblicherweise
aus einem monolithischen Schaltkreis und einer externen Photodiode.
Das empfangene Infrarotsignal wird verstärkt, gefiltert, demoduliert
und als elektrisches Signal am Ausgang bereitgestellt. Durch die
intern vorhandene Regelung wird der Schaltkreis an die Umgebungsbedingungen angepasst.
Die Umgebungsbedingungen werden z. B. durch die Helligkeit der Umgebung,
gegebenenfalls durch Störstrahlung
von Neon-Röhren
im IR-Frequenzbereich und der Entfernung eines Datensenders beeinflusst.
Typische Datensender sind z. B. mobile Teile einer TV-Fernbedienung.
Bei der bekannten Regelung ist der Signalschwellenwert größer als
der Regelschwellenwert. Die bekannten Regelungs- und Demodulationskonzepte
haben bei bestimmten Anwendungen Nachteile, die durch die Erfindung
verbessert werden.
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So
führen
Datenprotokolle mit hoher Datenrate und geringen Burstpausen im
Protokoll zu einer häufigen Überschreitung
des Regelschwellenwertes, der daraufhin die Verstärkung verringert.
Als Folge kann es passieren, dass der kleinere Signalschwellenwert
nicht mehr erreicht wird. Im Ergebnis werden diese Datenprotokolle
damit gewissermaßen
als Störung
interpretiert und unterdrückt.
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Ein
sich annähernder
Datensender mit höherer
Datenrate hat unter Umständen
eine ähnliche
Reaktion der Regelung zur Folge. Auch dann können Daten des Datensenders
nicht mehr demoduliert werden, weil die Regelung, getriggert durch
den Regelschwellenwert, den Datensender als Störungsquelle interpretiert und
die Verstärkung
des Systems reduziert.
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Außerdem sind
die bekannten Regelverfahren vergleichsweise träge, so dass das Ausgangssignal
des Schaltkreises bei stark schwankender Eingangsdatensignalstärke unerwünscht starke Schwankungen
(Jitter, Ausgangspulsstreuungen) aufweist. Die Eingangsdatensignalstärke kann
z. B. bei handelsüblichen
IR-Fernbedienungen schwanken, weil diese über Entfernungen zwischen einem Zentimeter
und etwa 35 Meter einsetzbar sein sollen, was bei deren konstanter
Abstrahlungsleistung zu den genannten, erheblichen Signalstärkeschwankungen
am Eingang des Receiver-Moduls führt.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines Verfahrens und eines Schaltkreises, bei denen auch Datenprotokolle mit
hoher Datenrate und geringen Burstpausen im Protokoll nicht unterdrückt werden,
bei denen die Gefahr eines Ausfalls der Erkennung von Daten eines sich
annähernden
Datensenders, der mit höherer Datenrate
sendet, verringert wird, und bei denen eingehende Impulse, die zum
Beispiel aufgrund variabler Entfernung des Datensenders stark schwankende Eingangssignalstärken aufweisen,
erkannt werden können,
wobei die von dem Verfahren und dem Schaltkreis erzeugten Ausgangspulssignalamplituden
durch eine schnelle Anpassung an die Eingangssignalstärke weitgehend
konstant gehalten werden können.
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Diese
Aufgabe wird sowohl bei einem Verfahren als auch bei einem Schaltkreis
der jeweils eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Signalschwellenwert
kleiner als der Regelschwellenwert ist.
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Die
vorteilhafte Wirkung dieses Merkmals wird an dem folgenden Beispiel
deutlich. Betrachtet wird ein Primärsignal mit hoher Datenrate
und damit nur kleinen Pausen zwischen einzelnen Bursts (Burst =
schnelle Folge von z. B. 6 bis 30 Einzelpulsen) in einer rauschfreien
Umgebung. Sowohl beim Stand der Technik als auch bei der Erfindung
erfolgt das Regeln der Verstärkung
des Primärsignals
so, dass sich Spitzenwerte des gefilterten Signals dem Regelschwellenwert
annähern.
Beim Stand der Technik führt
dies dazu, das die Signalstärke
unter den größeren Signalschwellenwert
geregelt wird, so dass aus dem Vergleich mit diesem Schwellenwert
keine Daten mehr ableitbar sind. Bei der Erfindung ist dagegen der
Signalschwellenwert kleiner als der Regelschwellenwert, so dass
der Signalschwellenwert auch dann noch überschritten wird, wenn die
Signalstärke
durch den Regelungsvorgang verringert wurde. Damit wird die oben
angegeben Aufgabe vollkommen gelöst.
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Mit
Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass der
Schritt der Regelung der Verstärkung
einen Schritt einer Mittelung der Spitzenwerte aufweist.
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Durch
die Mittelung wird ein Tiefpassverhalten erzeugt, das die Regelung
stabilisiert.
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Bevorzugt
ist auch, dass der Schritt der Demodulation Schritte einer digitalen
Filterung mit Diskrimination und Integrationsschritte aufweist.
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Aufgrund
dieser Merkmale können
Nutzsignale auch aus einem Primärsignal
mit Rauschanteilen herausgefiltert und demoduliert werden. Im allgemeinen
Fall, der sich durch ein Rauschanteile aufweisendes Primärsignal
auszeichnet, erfolgt die Regelung auf sämtliche Rausch- und Datensignale
und die Datensignale werden durch die digitale Filterung und Diskrimination
aus dem verrauschten Signal selektiert.
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Ferner
ist bevorzugt, dass der Schritt der digitalen Filterung und Diskrimination
Schritte eines Erfassens zeitlicher Abstände vorbestimmter Werte des Vergleichsergebnisses,
Schritte eines Vergleichens der erfassten Abstände mit einem Intervall zulässiger Werte,
und Schritte eines Generierens von Ausgangsimpulsen für Abstände, die
in dem Intervall liegen, aufweist.
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Nutzsignalanteile
im Primärsignal
zeichnen sich durch eine vorbestimmte Periodizität aus, während Rauschanteile zu stochastisch über einen
Zeitraum verteilten Spitzenwerten führen. Dadurch, dass nur Spitzenwerte
mit vorbestimmten Abständen,
die der genannten Periodizität
entsprechen, weiterverarbeitet werden, erfolgt eine effektive Trennung
zwischen Signalanteilen und Rauschanteilen in der weiteren Signalverarbeitung.
Die digitale Filterung und Diskrimination führt mit geringem schaltungstechnischen
Aufwand zu einer sehr fehlertoleranten Filterung.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Ausgangsimpulse
in den Integrationsschritten integriert werden, das Integrationsergebnis mit
einem ersten Integrationsschwellenwert und/oder einem zweiten Integrationsschwellenwert
verglichen wird, ein Ausgangssignal bei einer Überschreitung des ersten Integrationsschwellenwerts
gesetzt und bei einem Unterschreiten des zweiten Integrationsschwellenwerts
zurückgesetzt
wird.
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Durch
diese in Verbindung mit den Schwellenwertvergleichen erfolgende
Integration wird ein Bild der Hüllkurve
des Nutzsignalanteils im Primärsignal
als Informationsgehalt des Nutzsignals ermittelt.
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Bevorzugt
ist auch, dass die Ausgangsimpulse vor ihrer Integration in vorbestimmter
Weise verlängert
werden.
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Dadurch
wird die Fehlertoleranz der Signalverarbeitung in erwünschter
Weise erhöht,
weil zum Beispiel einzelne Impulse eines Bursts im Nutzsignal fehlen
können,
ohne dass dies zu einer Verfälschung der
ermittelten Hüllkurve
führt.
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Analog
zu diesen Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass der
Regler die Spitzenwerte unter Nachbildung eines Spitzenwertgleichrichters
digital mittelt und die gemittelten Spitzenwerte als Steuersignale
für den
Regelverstärker
bereitstellt, und/oder dass der Demodulator ein Digitalfilter mit
einem Diskriminator und einem Integrator aufweist, und/oder dass
der Digitalfilter mit dem Diskriminator Abstände vorbestimmter Werte des
Vergleichsergebnisses ermittelt und die Abstände mit einem unteren Schwellenwert
und einem oberen Schwellenwert vergleicht und einen Ausgangsimpuls generiert,
wenn ein Abstand zwischen dem unteren und dem oberen Schwellenwert
liegt, und/oder dass der Integrator die Ausgangsimpulse integriert
und dass der Integrator ein Signal setzt, wenn das Integrationsergebnis
einen ersten Integrationsschwellenwert überschreitet und zurücksetzt,
wenn das Integrationsergebnis einen zweiten Integrationsschwellenwert
unterschreitet, und/oder dass der Integrator seine Eingangsimpulse
vor der Integration verlängert.
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Diese
Ausgestaltungen des Schaltkreises besitzen die bei den entsprechenden
Kombinationen von Verfahrensmerkmalen aufgeführten Vorteile.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schaltkreises;
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2 Details
eines Demodulators mit einer digitalen Filterung und Diskrimination;
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3 zeitliche
Verläufe
von Bursts in einem Primärsignal
vor und nach einem Regelvorgang zusammen mit relativen Lagen eines
Regelschwellenwertes und verschiedener Signalschwellenwerte; und
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4 qualitative Signalverläufe in verschiedenen
Stadien einer Demodulation.
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Im
Einzelnen zeigt die 1 Datensignale 10,
die als elektrische Primärsignale
in einen Schaltkreis 12 eingespeist werden. Die Datensignale 10 können zum
Beispiel Infrarot-Signale sein, die von einer Fotodiode 14 empfangen
und in einen Fotostrom I_F als Beispiel eines elektrischen Signals
umgewandelt werden. Typische Infrarotsignale besitzen in der Regel
eine Trägerfrequenz
zwischen 30 kHz und 80 kHz und Pulspakete (Bursts), die durch eine
Amplitudenmodulation (AM) von 100% erzeugt worden sind. Die Burst-Pakete
bestehen aus mehreren Einzelimpulsen.
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Die
Eingangswechselströme
I_F der Fotodiode 14 werden durch einen Transimpedanzverstärker 16 in
Wechselspannungen umgewandelt und in einem Regelverstärker 18 abhängig von
einem Regelwert RW verstärkt.
Ein Bandpassfilter 20 ist auf die Trägerfrequenz abgeglichen und
gewährleistet eine
höhere
Selektivität
des Schaltkreises 12. Das Bandpassfilter 20 realisiert
damit eine Vorfilterung der Signale mit ein Güte Q von typischerweise Q ungefähr gleich
2 bis 3.
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Im
Anschluss an die Bandpassfilterung wird das gefilterte Wechselspannungssignal
durch einen Signalkomparator 22 mit einem Signalschwellenwert und
durch einen Regelkomparator 24 mit einem Regelschwellenwert
verglichen. Dabei liegt der Signalschwellenwert deutlich unter dem
Regelschwellenwert. Wenn man dem Regelschwellenwert einen Wert von
100% zuordnet, liegt der Signalschwellenwert zum Beispiel bei +50%
und –50%.
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Ein
Regler 26 verarbeitet ein Ausgangssignal des Regelkomparators 24 zu
dem bereits genannten Regelwert für den Regelverstärker 18 und stellt
die Verstärkung
des Regelverstärkers 18 dabei so
ein, dass Spitzenwerte des gefilterten Signals, also der Wechselspannung
am Ausgang des Bandpassfilters 20, den Wert der Regelschwelle
annehmen oder sich diesem Wert zumindest annähern.
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Der
Regler 26 realisiert den Regelungsvorgang bevorzugt auf
digitaler Basis und bildet dabei eine schnelle Spitzenwertgleichrichtung
mit Speicherkondensator nach. Dies stellt eine Ausgestaltung einer
Mittelung der Spitzenwerte des gefilterten Signals dar. Ein Digital/Analog-Wandler 28 wandelt
die digitale Stellgröße in einen
analogen Regelwert RW, beispielsweise in einen Steuerstrom für den Regelverstärker 18,
um.
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Ein
Demodulator 30 mit einem Eingang 32 und einem
Ausgang 34 bildet aus dem Ergebnis des Vergleichs des gefilterten
Signals mit dem Signalschwellenwert eine Hüllkurve des Nutzsignalanteils im
Primärsignal
und stellt die Hüllkurve
an seinem Ausgang 34 bereit. Dazu weist der Demodulator 30 bevorzugt
die in der 2 dargestellte Struktur mit einem
Block 36, der ein Digitalfilter mit einem Diskriminator
repräsentiert,
und einem nachgeschalteten analogen Integrator 38 auf.
Der Block 36 misst den Abstand zwischen zwei Signalkomparatorpulsen
und selektiert die Pulse, deren Abstand in einem Zeitfenster dT
liegt, das einem Intervall zulässiger
Abstände entspricht.
Das Zeitfenster dT stellt gewissermaßen einen von der Trägerfrequenz
abhängigen
Fangbereich dar. Durch den Block 36 wird mit geringem schaltungstechnischem
Aufwand eine sehr steilflankige und fehlertolerante Filterung des
Ausgangssignals des Signalkomparators 22 erreicht. Es wird
nämlich
nur dann ein Ausgangsimpuls des Blocks 36 generiert und
an den Integrator 38 übergegen,
wenn ein gemessener Abstand in diesem Fangbereich oder Zeitfenster
dT liegt. Anschließend
werden diese Ausgangsimpulse im analogen Integrator 38 integriert.
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Der
analoge Integrator 38 besitzt die Zustände: Laden und Entladen. Geladen
wird, wenn an seinem Eingang 40 Ausgangsimpulse des Blocks 36 anliegen.
Entladen wird in Pausen zwischen den Ausgangsimpulsen. In einer
bevorzugten Ausgestaltung verlängert
der Integrator 38 die vom Block 36 empfangenen
Ausgangsimpulse. Die Verlängerung
kann durch Multiplikation der Länge
der Ausgangssignale des Blocks 36 mit einem Faktor von
1,6 erfolgen, wodurch das Fehlen von einzelnen Pulsen toleriert
wird. Die Integrationszeit des Integrators 38 kann in einer weiteren
Ausgestaltung in Abhängigkeit
von der gewünschten
Variante auf eine bestimmte Zahl von Impulslängen eingestellt werden, zum
Beispiel auf 4 oder 7 Impulslängen.
Am Ausgang 34 des Integrators 38, der gleichzeitig
den Ausgang 34 des Demodulators 30 darstellt,
wird ein Signal gesetzt, wenn die Summe der integrierten Ausgangsimpulse,
also das Integrationsergebnis, einen ersten Integrationsschwellenwert überschreitet,
der zum Beispiel bei ca. 80% des Aussteuerbereichs des Integrators 34 liegt.
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Das
Setzen des Signals bildet damit den Beginn eines Bursts im Primärsignal
ab. Anschließend bleibt
das Signal solange gesetzt, bis das Integrationsergebnis einen zweiten
Integrationsschwellenwert erreicht, der zum Beispiel einem Wert
von 20% des Aussteuerbereichs des Integrators 38 entspricht. Ein
Unterschreiten des zweiten Integrationsschwellenwertes löst ein Rücksetzen
des Signals aus und bildet damit das Ende eines Bursts ab. Der zeitliche Verlauf
dieses gesetzten und rückgesetzten
Signals stellt damit ein Bild der Hüllkurve von Bursts im Primärsignal
dar. Durch die Beschränkung
der Integrationszeit des Integrators 38 auf wenige Impulslängen erfolgt
ein Rücksetzen
auch dann schnell, wenn z. B. 30 Impulse integriert wurden.
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Die 3 zeigt
qualitativ Verläufe
von Bursts 42, 44 in einem gefilterten Signal
am Eingang des Regelkomparators 24 aus der 1 vor
und nach einem Regelvorgang zusammen mit relativen Lagen eines Regelschwellenwertes
R und Signalschwellenwerten S_1, –S_1, S_2. Dabei entspricht
der Burst 42 einem Zustand vor einem Regelvorgang, wie
er zum Beispiel beim Einschalten eines Datensenders in der Nähe eines
IR-Receivers auftritt. Die Amplituden des Bursts 42 sind
so hoch, dass sie den Regelschwellenwert R überschreiten. Der Schaltkreis 12 reduziert dann
die Verstärkung
soweit, dass die Spitzenwerte des gefilterten Signals am Eingang
des Regelkomparators 24 den Wert der Regelschwelle R annehmen, wie
es beim Burst 44 der Fall ist. Der im Rahmen der vorliegenden
Erfindung verwendete Signalschwellenwert S_1, –S_1 ist kleiner als der Regelschwellenwert
R, so dass auch die Einzelimpulse des Bursts 44 bei eingeschwungener
Regelung detektiert werden. Dagegen ist der beim Stand der Technik
verwendete Regelschwellenwert S_2 so groß, dass die Einzelimpulse im
Burst 44 nicht mehr detektiert werden.
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4 zeigt qualitativ Signalverläufe in verschiedenen
Stadien einer Demodulation jeweils über der Zeit t. Die Impulsfolge 46 der 4a repräsentiert
qualitativ ein Ergebnis des Vergleichs des Bandpass-gefilterten
Signals mit Schwellenwerten +/–S_1 und
liegt am Eingang des Blocks 36 aus der 2 an.
Das dargestellte Ergebnis weist drei Impulse 48, 50, 54 auf,
wobei ein einzelner gestrichelt dargestellter Impuls 52 an
sich vorhanden sein sollte, durch Fehler des Senders oder Empfängers aber
fehlt.
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Der
Block 36 misst die Abstände
vorbestimmter Werte des Vergleichsergebnisses, wobei die Werte eine
Mindestamplitude +/–A überschreiten oder
unterschreiten. Zum Beispiel kann jeweils der Abstand 56, 58, 60, 62 erfasst
werden, in dem ein Minimum auf ein Maximum, sowie ein Maximum auf
ein Minimum folgt. Diese Abstände
sind in der 4b dargestellt. Für jeden
Abstand 56, 58, 60, 62, der
innerhalb des Zeitfensters dT liegt, wird ein Impuls 64, 66, 68, 70 vorbestimmter
Länge generiert,
der bevorzugt größer als
die Periodendauer der Impulsfolge 46 ist. In einer Ausgestaltung
besitzt ein Vergrößerungsfaktor
den Wert 1,6, so dass bei der Überlagerung
der generierten Impulse das Fehlen des einzelnen Pulses 52 kompensiert
wird. Alternativ können
auch zunächst
Impulse mit der Länge
der Abstände
generiert werden und anschließend
mit einem entsprechend angepassten Faktor verlängert werden. Die Längen 64, 66, 68, 70 der
verlängerten
Impulse sind in der 4c dargestellt.
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Anschließend erfolgt
eine Integration der überlagerten
Längen
oder Impulse 64, 66, 68, 70 durch
den Integrator 38. Der resultierende Wert 72 des
Integrals ist in der 4d dargestellt. Am Ausgang 34 des
Integrators 38 wird ein Signal 74 auf einen vorbestimmten
Wert gesetzt (z. B. eine logische 1), wenn das Integrationsergebnis 72 einen
ersten Integrationsschwellenwert ISW_1 überschreitet und zurückgesetzt
(z. B. auf eine logische 0), wenn das Integrationsergebnis einen
zweiten Integrationsschwellenwert ISW_2 unterschreitet. Der erste Schwellenwert
ISW_1 kann zum Beispiel bei 80% des Aussteuerbereichs des Integrators
liegen und der zweite Schwellenwert ISW_2 kann zum Beispiel bei
20% des Aussteuerbereichs liegen. Der Verlauf des Signals 74 am
Ausgang des Integrators stellt daher ein Bild der Hüllkurve
der Impulse 48, 50, 52, 54 eines
Bursts 46 dar.